ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

П л а н л е к ц и и

1.1. Введение.

1.2. Краткая история развития электроники.

1.3. Структура кристаллической решетки твердых тел.

1.4. Кристаллическая структура и типы межатомных связей металлов. 1.5. Кристаллическая структура и типы межатомных связей полупроводников.

1.6. Индексы Миллера.

1.7. Дефекты кристаллической решетки.

1.1. Введение.

Роль электроники в жизни современного общества трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса и представляет собой бурно развивающуюся область науки.

Целью преподавания дисциплины «Электроника» является изучение характеристик, параметров и моделей основных типов активных приборов, режимов их работы в радиотехнических цепях и устройствах, основ технологии микроэлектронных изделий и принципов построения базовых ячеек интегральных схем, влияния условий эксплуатации на работу активных приборов и микроэлектронных изделий.

Электронику принято разделять в соответствии с физическими основами работы электронных приборов на вакуумную, твердотельную и квантовую (рис. 1.1).

Прогресс каждого из указанных направлений определяется уровнем теоретических и практических исследований, а также развития технологии.

1.2. Краткаяисторияразвитияэлектроники.

Развитие электроники можно разделить на ряд исторических этапов. Фундамент электроники был заложен работами физиков XVIII и XIX вв.

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.2. Краткая история развития электроники.

Вакуумная

микроэлектроника

Рис. 1.1. Основные направления развития электроники

Первыми в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили в XVIII в. российские академики М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман и независимо от них американский ученый Б. Франклин. В 1802 г. электрическую дугу открыл академик В.В. Петров, а П.Н. Яблочков впервые применил ее для целей освещения в 1876 г. Первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания – изобрел в 1873 г. русский электротехник А.Н. Лодыгин. Независимо от него такую же лампу создал, а затем усовершенствовал американский изобретатель Т.А. Эдисон.

Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. Чаще всего для демонстрации этого эффекта использовались кристаллы галенита (сернистый свинец – PbS). В 1895 г. А.С. Попов при создании радио применил порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.2. Краткая история развития электроники.

зернистых систем. В 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев обнаружил явление генерации электрических колебаний при контакте цинкита (минеральный оксид цинка – ZnO) со стальным острием. Он установил фундаментальную закономерность: генерацию, или усиление сигнала в двухэлектродном приборе, можно получить, если только он имеет так называемую N-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ). Однако на данном историческом этапе твердотельные приборы не получили широкого распространения, так как не были известны физические основы их работы.

Первым поколением элементной базы электроники по праву считаются электровакуумные приборы (ЭВП), применявшиеся в качестве активных элементов. Это стало возможным благодаря детальному исследованию явления термоэлектронной эмиссии, проведенному англичанином О.У. Ричардсоном. В 1928 г. его работы были отмечены Нобелевской премией. Английский ученый А. Флеминг впервые применил в 1904 г. двухэлектродную лампу (диод) для детектирования высокочастотных колебаний. В 1907 г. американский инженер Л.Д. Форест разработал вакуумный триод, что позволило не только детектировать, но и усиливать электрические сигналы.

Второе поколение элементной базы электроники – дискретные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы и пр.). В 1948 г. американские ученые У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн изобрели биполярный транзистор, а в 1956 г. им была вручена Нобелевская премия.

Третье поколение элементной базы электроники – интегральные микросхемы (ИМС), предложенные в 1958 г. Робертом Нойсом и Джеком Килби. Это стало новым историческим этапом развития электроники – микроэлектроники. За изобретение интегральной схемы Д. Килби удостоен Нобелевской премии в 2000 г.

Постоянное повышение степени интеграции привело к тому, что с начала 60-х годов прошлого столетия размеры транзисторов, входящих в состав полупроводниковых интегральных схем, уменьшились с 1 мм до нескольких долей микрона, и если темпы сохранятся, то к 2010–2015 гг. (рис. 1.2) будет преодолен очередной технологический, но самое главное фундаментальный физический барьер, за которым все свойства твердого тела, прежде всего электропроводность, резко изменятся.

Принципиальный технологический момент: групповой способ производства обеспечил микроэлектронике преимущество перед другими областями электронной техники. Микроэлектроника и в настоящее время формирует практически всю элементную базу современных средсв приема, обработки и передачи сигналов.

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.2. Краткая история развития электроники.

Lмин, мкм

Рис. 1.2. Перспективы развития промышленных методов литографии: 1 – оптическая литография с длиной волны 365 нм, 248 нм и 193 нм; 2 – рентгенолитография или прямое получение рисунка с помощью электронного луча; 3 – электронно-лучевая проекционная литография; N – количество логических элементов микропроцессора на 1 см2 кристалла

Следует отметить, что сочетание достижений в области микроэлектронных технологий и известных преимуществ электровакуумных приборов привело к рождению вакуумной микроэлектроники. Под девизом «Обратно в будущее» в 1988 г. в США прошла первая конференция по вакуумной микроэлектронике. Использование явления автоэлектронной эмиссии позволяет создавать приборы и устройства терагерцевого диапазона частот.

Последняя треть прошлого столетия отмечена также рождением наноэлектроники. С ней связывают начало четвертого поколения элементной базы электроники. Характеристические размеры наноструктур лежат в диапазоне 100–10 нм. При таких линейных размерах элементов

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.2. Краткая история развития электроники.

физические принципы, явления и привычные теоретические модели теряют силу и начинают проявляться в полной мере эффекты, обусловленные квантовой природой электрона. Уже обсуждаются проблемы создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых станут квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантовых размерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов.

1.3. Структуракристаллическойрешеткитвердыхтел.

Важнейший из параметров твердых тел – величина удельного электрического сопротивления ρ, изменяется в очень широких пределах. Считают, что удельное сопротивление металлов составляет менее 10–4 Ом см, полупроводников – в диапазоне 10–3–109 Ом см, диэлектриков – более 109 Ом см. Такая чисто количественная классификация весьма условна, особенно применительно к полупроводникам и диэлектрикам, между которыми по существу нет принципиальных различий. Главное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что у металлов удельное сопротивление с ростом температуры растет, а у полупроводников – падает. Почему проводимость твердых веществ различается так сильно? Более того, атомы одного и того же вещества, например углерода С, в зависимости от того, в какую кристаллическую решетку они соединились, могут образовать или хороший проводник – графит, или прекрасный изолятор – алмаз.

Пример с атомами углерода наводит на мысль, что будет твердое тело металлом, диэлектриком или полупроводником зависит не только и, может быть, не столько от свойств атомов, составляющих кристалл, сколько от того, какие отношения (типы связей) сложатся у него с соседями.

Кристаллическая решетка образуется из элементарных ячеек, содержащих минимальное число атомов или молекул, называемых базисом, которые, в свою очередь, образуют 14 типов пространственных решеток, называемых решетками Бравэ. Каждую элементарную ячейку можно задать с помошью трех векторов a, b, c, которые не обязательно ортогональны друг другу и длины которых не обязательно равны. Они называются примитивными векторами трансляции. Вектор, соответствующий некоторой конкретной точке решетки, представляет трансляцию вида

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.3. Структура кристаллической решетки твердых тел.

а б

Рис. 1.3. Решетки Бравэ:

а – простая кубическая; б – гранецентрированая кубическая

На рис. 1.3 показаны две простейшие решетки Бравэ: простая кубическая и гранецентрированная кубическая.

Связь между атомами в кристаллической решетке обусловлена силами электрического притяжения и отталкивания. Типы и силы связи зависят от конкретного строения электронных оболочек атомов. Между близко расположенными атомами всегда существует небольшое притяжение, обусловленное слабыми вандерваальсовыми связями, но его влиянием можно принебречь, если одновременно с этим действуют ионная, ковалентная или металлическая связи.

1.4. Кристаллическаяструктураитипымежатомныхсвязейметаллов.

Основная особенность металлических структур состоит в том, что они имеют довольно редкое расположение атомов в кристаллической решетке (межъядерные расстояния большие) и большое число соседей у каждого атома. Большой радиус атомов приводит к тому, что внешние валентные электроны легко покидают атомы, при этом в узлах кристаллической решетки остаются положительно заряженные ионы, а электроны движутся в промежутках между ними, образуя электронный газ. Например, структура меди имеет гранецентрированую кубическую решетку (рис. 1.3, а), где 12 ионов находятся в узлах решетки на расстоянии 2,56 Ă друг от друга. Количество ближайших атомов называется координационным числом. Полная энергия связи в металлах больше, чем в других соединениях, что обусловлено координационным числом 12, обеспечивающим максимальную плотность упаковки.

1.5. Кристаллическаяструктураитипымежатомныхсвязей полупроводников.

Полупроводниковыми свойствами обладает ряд элементов и соединений, находящихся в III, IV, V, VI группах Периодической системы элементов Менделеева: Si, Ge, GaAs, InP, Se, Te и другие. А ряд элементов и соединений приобретает полупроводниковые свойства лишь при определенных условиях, например при очистке вещества до такой степени, когда один атом примеси приходится на десятки миллионов атомов вещества.

Если рассматривать структуру атомов различных элементов, то можно выделить внутренние оболочки, которые полностью заполнены электронами,

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.5.Кристаллическая структура и типы межатомных связей полупроводников.

ивнешние, на которых располагаются валентные электроны. Валентные электроны слабее связаны с ядром, могут легко разорвать связь, обеспечивая процессы тепло- и электропроводности.

Атомы кремния группируются в решетку типа алмаза, которая представляет собой две гранецентрированые кубические решетки, сдвинутые одна относительно другой на 1/4 главной диагонали, при этом каждый атом кремния окружен четырьмя соседними атомами и образует тетраэдр

(рис. 1.4, а).

Ввершинах тетраэдра и его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вершинах. Каждый атом в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

Рис. 1.4. Кристаллическая решетка (а) и структура связей (б) между атомами кремния

Четыре внешних электрона каждого атома участвуют в образовании ковалентной (парноэлектронной) связи (по два электрона в каждой). При качественном рассмотрении физических процессов удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 1.4, б). Кристалл кремния с координационным числом 4 образует смешанную sp3 орбиталь, характерной особеностью которой является то, что валентные электроны вращаются не только вокруг собственного ядра, но и вокруг соседних атомов. При этом на одной смешанной sp3 орбитали находятся по два электрона от каждого атома, т. е. всего 8 электронов.

Полупроводники типа А3В5 (соединения третьей и пятой групп системы Менделеева), например GaAs, имеют структуру типа цинковой обманки. У этих соединений атомы III группы занимают все узлы одной из

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.5. Кристаллическая структура и типы межатомных связей полупроводников.

двух гранецентрированных кубических решеток, а атомы V группы располагаются в узлах другой гранецентрированной решетки. При этом межатомные связи в кремнии являются чисто ковалентными, а связи в соединениях А3В5 имеют смешанный характер, присущий ковалентным и ионным кристаллам.

1.6. ИндексыМиллера.

Поскольку кристаллы имеют периодическую структуру, а межатомные расстояния и углы между векторами, образующими элементарную ячейку, различны, то наблюдается анизотропия (отличие) свойств для различных кристаллографических направлений и плоскостей. В первую очередь это касается электрических свойств, а также играет существенную роль в технологии изготовления полупроводниковых приборов: травлении, эпитаксии, диффузии, окислении и т. д.

Для обозначения кристаллографических направлений и плоскостей используются индексы Миллера, которые определяются следующим образом

(рис. 1.5.).

1.Положение одного из атомов выбирают за начало координат, от которого проводят координатные оси в направлениях основных векторов

(a, b, c).

2.Точки пересечения воображаемой кристаллографической плоскости

сэтими координатными осями выражают целыми числами, приняв за единицу длины основных векторов (точки 1, 2, 3 на рис. 1.5).

3.Величины, обратные этим числам, умножают на их минимальный общий знаменатель, получая простейшую последовательность целых чисел. Эти числа обозначаются h, k, l, и их запись в круглых скобках будет индексами Миллера для данной кристаллографической плоскости. Для рис.

1.5 получилось (1/1, 1/3, 1/2) 6=(623).

В достаточно больших кристаллах параллельные плоскости обладают одинаковыми свойствами.

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И ИХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВ-ВА

1.7. Дефекты кристаллической решетки.

Любой полупроводник содержит примеси: либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке кристалла, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примесные атомы (рис. 1.8, в) могут располагаться или в междоузлиях решетки (примесь внедрения – 1), или в узлах решетки (примесь замещения – 2). Последний вариант более распространен.

Дислокации – специфические линейные дефекты, связанные со смещением плоскостей решетки. Бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные) дислокации.

Рис. 1.9. Дислокации в кристаллической решетке: а – линейные; б – винтовые

Первые образуются при неполном (не по всей глубине) сдвиге решетки, и в результате появляется незаконченная полуплоскость атомов (рис. 1.9, а). Вторые – результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рис. 1.9, б).

Наличие паразитных примесей и дислокаций приводит к разбросу параметров и дефектам полупроводниковых приборов и интегральных схем. Поэтому количество паразитных примесей и дислокаций на полупроводниковых пластинах ограничивается.

Поверхность кристалла является грубым нарушением кристаллической решетки. У атомов, расположенных на поверхности, нарушаются ковалентные связи из-за отсутствия соседей по другую сторону границы раздела. Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности.

Равновесие восстанавливается разными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т. е. осуществится перестройка поверхности; может произойти адсорбция чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи; на поверхности может образоваться окисел, который завершит оборванные связи, и на поверхности не будет незаполненных связей. В любом случае структура и свойства приповерхностного слоя отличаются от сруктуры и свойств объема кристалла.